焊缝金属二次结晶组织的优化方法

一次结晶结束后，熔池转变为固态焊缝。在大多数情况下一次结晶组织为柱状奥氏体，一定条件下焊缝中心也会产生等轴奥氏体晶粒。高温的焊缝金属冷却到室温时，要经过一系列的相变过程，这种固态相变过程就称为焊缝金属的二次结晶。焊缝金属自高温冷却时，因固态相变而形成的组织称为二次结晶组织。

焊缝金属的二次结晶组织与焊缝金属的化学成分和焊接工艺（冷却条件等）有关，最终焊缝组织还与热处理工艺有关。

（一）焊缝熔合比

焊缝金属的化学成分不仅与母材和填充金属的成分有关，还与局部熔化的母材在焊缝金属中所占的比例有关。焊缝金属是由填充金属和局部熔化的母材组成的。局部熔化的母材在焊缝金属中所占的比例称为熔合比。改变熔合比可以改变焊缝金属的化学成分。

根据图3-13，材料堆焊时，焊缝熔合比可用下面公式表示：

D=A/（A+S）×100%

式中 D——焊缝熔合比；

A——局部熔化的（母材）基本金属横截面积；

S——填充金属的横截面积。

根据图3-14，开坡口的异种材料双面焊接时，焊缝总熔合比可用下面公式表示：

D=（A+B）/（A+B+S）

材料A和B的熔合比分别可用下面公式表示：

D_a=A/（A+B+S）

D_b=B/（A+B+S）

图3-13 堆焊焊缝熔合比的计算

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图3-14 开坡口的异种材料焊缝熔合比的计算

焊缝金属的熔合比与采用的焊接方法、焊接热输入、焊接坡口形式和被焊接材料的热物理性能等因素有关。

在焊缝的化学成分相同情况下，不同的焊接工艺条件，焊缝金属在二次结晶时的冷却速度不相同，二次结晶后的组织和性能有较大差别。例如，低碳纲焊接时，二次结晶时的冷却速度越大，焊缝中的珠光体就越多、越细，同时焊缝的硬度增高。低合金钢焊接时，二次结晶时的冷却速度增大，铁素体数量减少，珠光体和贝氏体数量增加，合金元素含量较多的低合金高强钢焊缝中还会出现马氏体组织。冷却速度不同，珠光体、贝氏体和马氏体的组织结构也不相同，随着转变温度的降低，珠光体的层状结构越来越细，贝氏体中的铁素体条越来越细，所产生贝氏体的强度越大。

在焊缝化学成分和焊接工艺条件相同情况下，不同的焊后热处理，最终焊缝组织也不相同。例如，对焊接接头进行正火处理，会使焊缝柱状组织消失，使晶粒细化，大大改善焊缝的力学性能。

（二）各类焊缝的组织

1.低碳钢焊缝的组织 低碳钢的焊缝金属含碳量很低。其组织为粗大的铁素体加少量珠光体，若高温停留时间过长，铁素体还具有魏氏体组织特征。

多层多道焊缝由于后一焊缝对前一焊缝的再加热作用，部分柱状晶消失，形成细小的等轴晶，其组织为细小的铁素体加少量珠光体。

2.低合金钢焊缝的组织 低合金钢焊缝中常见的显微组织为铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体。

合金元素含量较少的低合金钢，焊缝组织与低碳钢焊缝相近。在一般冷却条件下为铁素体加少量珠光体；冷却速度加大时也会产生粒状贝氏体。

合金元素含量较多的低合金高强钢，焊态下焊缝组织为贝氏体或低碳马氏体。高温回火后为回火索氏体。

3.钼和铬-钼耐热钢焊缝的组织 合金元素含量较少[w（Cr）＜5%]的耐热钢，在焊前预热、焊后缓冷的焊接条件下得到珠光体和贝氏体组织；高温回火后可得到完全的珠光体组织。

合金元素含量较多[w（Cr）为5%～9%]的耐热钢，当焊接材料成分与母材相近时，在焊前预热，焊后缓冷的焊接条件下，得到贝氏体和马氏体组织；高温回火后可得到回火索氏体组织。

4.不锈钢焊缝的组织 奥氏体型不锈钢，焊缝组织一般为奥氏体或奥氏体加少量铁素体[φ（F）为2%～6%]。

铁素体型不锈钢，当采用成分与母材相近的焊接材料焊接时，焊缝组织为铁素体；当采用铬镍奥氏体材料焊接时，焊缝组织为奥氏体或奥氏体加少量铁素体。

马氏体型不锈钢，当采用成分与母材相近的焊接材料焊接时，焊态及回火后的焊缝组织为马氏体或回火马氏体。